JP4697699B2

JP4697699B2 - レーザー加工装置

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Publication number: JP4697699B2
Application number: JP2004132898A
Authority: JP
Inventors: 正樹依田; 成彦向井; 雄二佐野; 良男濱本; 哲夫山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: JP2005313191A

Description

本発明は、レーザー光を管形状の材料内面に照射し、被照射材料の穴開け、切断、表面処理等の加工を行うレーザー加工装置に関する。

レーザー光は波長が非常に短い可干渉性の単色光であって、位相がよく揃い、かつ、収束性が非常に高いので、狭い面積に高密度の光エネルギーを集中させることができるため、通信、計測、医療、金属加工などの広い分野で利用されている。

金属加工の分野では、高いエネルギー密度のレーザー光を利用して溶接、切断、穿孔、表面改質等の様々な加工が行われている。レーザー光を用いた加工は、非接触加工であるため光が届く場所であればどのような場所でも加工が可能なため、レーザー光を集光させて施工部に照射するための照射ヘッド部を小型にすることができる。また、材料への入熱が少ないため、精密な加工が可能である。

近年、パルス幅が100[ns]以下の短パルスレーザー光による加工が行われるようになった。原子力分野においても、原子炉炉内構造物の応力腐食割れを予防する目的で、レーザーピーニング施工が実用化されている。

このレーザーピーニングとは、高エネルギー密度のパルスレーザー光を水中で金属表面に照射することにより発生するプラズマの衝撃波を利用した金属表面の改質技術である。パルスレーザー光を水中で金属表面に照射することにより発生するプラズマの衝撃波の内部圧力は数GPaにも達するので、この圧力によって金属表面を組成変形させて金属表面に圧縮残留応力層を形成し、応力腐食割れ等による新たな亀裂発生を防止することが可能となる。金属表面に数ナノセコンド[ns]程度の非常にパルス幅の短い単パルスのレーザー光を照射するとレーザー光による熱影響は無視でき、金属表面の組成を変えることなく応力改善のみが可能である。

管形状の構造物を他の構造物に溶接した部分では、溶接部の管内面に引張残留応力が存在するため、レーザーピーニングにより管内面を応力改善することで亀裂の発生を防止することができる（例えば、特許文献１および特許文献２を参照）。

図９は特許文献１に記載されているレーザーピーニングに用いる管内面レーザー加工装置の模式図である。図９において、１は液中に設置されたレーザー加工装置１００の照射ヘッドであり、図示していないパルスレーザー光源から出射されたレーザー光Laを導くための光ファイバ２と、伝送されたレーザー光Laを収束するための集光レンズ１９と、集光されたレーザー光Laを反射して光路を変えて管内面の施工部１８に照射するための平面状の反射ミラー２０と、清浄用液体Liをレーザー光Laの照射点に噴射して照射点で発生する泡やゴミを取り除くための液体噴射ノズル７とから構成されている。２１は光ファイバ２、集光レンズ１９および反射ミラー２０を収納する筒である。
特開平10-216983号公報（第３頁、第１１頁、図１５）特開平11-285868号公報（第４−７頁、図１−３）

上述したように、従来のレーザー加工装置１００は、照射ヘッド１が集光レンズ１９と反射ミラー２０とを内蔵するために管の径を細径化することが困難であり、さらに液体噴射ノズル７も備えなければならないため、これまでは内径15[mm]程度までの細管でなければ挿入できなかった。また、集光レンズ１９で集光した後に反射ミラー２０でレーザー光を反射するため、反射ミラー２０の反射面でのレーザー光Laの集光径が小さくなり、反射面がレーザー光Laにより損傷を受ける危険性があった。

しかし、原子炉炉内構造物の中には内径が15[mm]よりももっと細い例えば10[mm]程度の細管も存在しており、かつ細管と他の構造物との溶接部に曲がり等の変形が生じている場合があり、従来のレーザー加工装置ではこのような細管の内面を施工することができなかった。
そこで、本発明は、管の内径をさらに細くしても内面の施工が可能なレーザー加工装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に係るレーザー加工装置の発明は、レーザー光をパルスレーザー光源から導いてレーザー光出射部から出射する光ファイバを収納する光ファイバ収納筒と、この光ファイバ収納筒の先端部に設置され、内部に前記レーザー光出射部から所定距離を隔てて配置した非球面形状の反射面を有する反射ミラーを収納し、かつ周面に反射レーザー光を照射点に照射するためのレーザー照射窓を設けたミラー収納筒とを有する照射ヘッドと、前記照射ヘッドを軸線方向に移動させる移動装置と、を備えたレーザー加工装置において、前記光ファイバ収納筒よりも前記ミラー収納筒を大径に形成するとともに、前記レーザー光出射部と前記反射ミラーとが所定距離隔てて対峙する位置関係となるように、前記光ファイバ収納筒およびミラー収納筒を同心状に配置することによって２重管構造に構成し、かつ、前記ミラー収納筒を当該ミラー収納筒の上端部外周面に設けられた回転駆動装置により前記光ファイバ収納筒に対して回転可能にし、さらに前記光ファイバ収納筒とミラー収納筒との間の環状の隙間に照射ヘッドの上部に設けられた液体注入口から清浄用液体を注入し、前記反射ミラーの反射面からレーザー光照射点に向かって清浄用液体を流すことを特徴とする。

さらにまた、請求項３に係るレーザー加工装置の発明は、レーザー光をパルスレーザー光源から導いてレーザー光出射部から出射する光ファイバを収納する光ファイバ収納筒と、この光ファイバ収納筒の先端部に設置され、内部に前記レーザー光出射部から所定距離を隔てて配置した非球面形状の反射面を有する反射ミラーを収納し、かつ周面に反射レーザー光を照射点に照射するためのレーザー照射窓を設けたミラー収納筒とを有する照射ヘッドと、前記照射ヘッドを軸線方向に移動させる移動装置と、を備えたレーザー加工装置において、前記光ファイバ収納筒よりも前記ミラー収納筒を大径に形成するとともに、前記レーザー光出射部と前記反射ミラーとが所定距離隔てて対峙する位置関係となるように、前記光ファイバ収納筒およびミラー収納筒を同心状に配置することによって２重管構造に構成し、前記ミラー収納筒は上下に分割された上部ミラー収納部と下部ミラー収納部とからなり、前記下部ミラー収納部を回転可能に支持するとともに、その内周部に回転駆動装置としてのプロペラを設け、前記照射ヘッドの上部に設けられた液体注入口から前記光ファイバ収納筒およびミラー収納筒間の環状の隙間にミラー反射面に向けて清浄用液体を流すことにより、前記プロペラに回転駆動力を発生させ、当該プロペラの駆動力により前記ミラー収納筒を回転させることを特徴とする。

本発明によるレーザー加工装置の照射ヘッドは、光ファイバから出射されたレーザー光を非球面反射ミラーによって反射し集光して施工面に照射するように構成したので、従来のようにレーザー光を集光するための集光レンズを照射ヘッドに内蔵する必要がなく、その分照射ヘッドの外径を細くすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。なお、各図を通じて共通する部分には同一符号を、関連する部分には添字を付けて説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係るレーザー加工装置の第１の実施の形態を示す構成図である。
図１において、１００はレーザー加工装置であり、１はその照射ヘッドである。この照射ヘッド１はレーザー出射部１_１と、出射されたレーザー光を反射して集光するミラー部１_２とから構成される。

レーザー出射部１_１は図示しないレーザー光源からのレーザー光Laを導く光ファイバ２と、この光ファイバ２の先端部２ａを固定するための固定端子３と、これら光ファイバ２、固定端子３を収納し保護する光ファイバ保護筒４から構成される。

一方ミラー部１_２はレーザー光を出射する光ファイバ先端部２ａから所定距離を隔てて対峙する非球面の反射面５ａを有する反射ミラー５と、この反射ミラー５を収納し保護するミラー収納筒６とによって構成されている。

なお、光ファイバ保護筒４とミラー収納筒６とは同一直線状に固定されており、しかも、このミラー収納筒６の円周面には前記反射ミラー５により反射されたレーザー光Laを図示しない細管内面の施工部に向けて照射するためのレーザー光照射窓６ａを設けている。

そして、前記非球面反射ミラー５は、例えば銅やアルミニウム等の金属材料、あるいは石英等の光学材料を研磨した後に反射面５ａに誘電体多層膜および耐水性の膜を蒸着して製作したものである。この非球面反射ミラー５は従来の技術で採用している集光レンズ１９に比べて集光スポットの収差が大きくなる欠点はあるが、反射面５ａは通常使用される単純な放物面ではなく回転楕円面とすることにより収差を小さく押さえてあり、また、均一な蒸着面を得るために反射面の機械加工はナノメートル単位の面粗さに押さえてある。

なお、７は液体噴射ノズル、８は照射ヘッド１を施工時に移動させるために設けた移動装置であり、腕部８ａにより光ファイバ収納筒２に取り付けてある。
このように構成された照射ヘッド１を用いてレーザーピーニング等を行う場合、照射ヘッド１および図示しない管内面施工部を水等の液の中に漬けた状態で、光ファイバ２により図示しないレーザー光源からのレーザー光を導き、光ファイバ２の端部２ａからレーザー光Laを出射させる。すると、出射されたレーザー光Laは非球面反射ミラー５の反射面５ａにより反射され同時に集光されて施工部に照射される。以降、前述したレーザーピーニングにより管内面の応力を改善する。

以上述べたように本実施の形態によれば、光ファイバ２から出射されたレーザー光４を非球面反射ミラー５によって反射し集光して施工面に照射するように構成したので、従来のようにレーザー光を集光するための集光レンズを照射ヘッドに内蔵する必要がなく、その分照射ヘッドの外径を細くすることができる。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明に係るレーザー加工装置の第２の実施の形態を示す構成図である。
本実施の形態は、前記第１の実施の形態の照射ヘッド１を改良したもので、照射ヘッド１の非球面反射ミラー５を軸線に対して回転させるミラー回転駆動装置を付加したものである。

すなわち、本実施の形態は図２で示すように光ファイバ収納筒４の下端部に対して外側収納筒９を嵌合により固定し、この外側収納筒９内に前記光ファイバ先端部２ａから所定距離を隔てて対峙する反射ミラー５を有する保護するミラー収納筒６を回転可能に収納するとともに、反射ミラー５の下部にモータ１０を配置して反射ミラー５を回転駆動するように構成している。なお、外側収納筒９の外周部には前記レーザー照射窓６ａと対応する部位にレーザー照射窓９ａを設けている。

このように構成された照射ヘッド１を用いてレーザーピーニング等を行う場合、照射ヘッド１および図示しない管内面施工部を液中に浸した状態で、光ファイバ２によって図示しないレーザー光源からのレーザー光４を導き、光ファイバ２の端部２ａからレーザー光Laを出射させる。すると、出射されたレーザー光は非球面反射ミラー５の反射面５ａにより反射され同時に集光されて施工部に照射される。

このレーザー光Laを照射する際、移動装置８により照射ヘッド１を光ファイバ収納筒２の軸方向に移動させながらモータ１０で非球面反射ミラー５を１方向に回転させることにより、レーザー光Laは管内面施工部に対して螺旋状に照射され、単純な回転駆動装置と１方向への直線移動装置を付加するだけで均一にむらなく管内面を施工することができる。

以上述べたように、本実施の形態によれば、非球面反射ミラー５をモータ１０により回転駆動するとともに、照射ヘッド１自体を一方向に移動させる直線移動装置を設けるようにしたので、均一にむらなく管内面を施工することができるという作用効果を奏することができる。

（第３の実施の形態）
図３は、本発明に係るレーザー加工装置の第３の実施の形態を示す構成図である。
本実施の形態は、第２の実施の形態を改良したもので、照射ヘッド１を光ファイバ収納筒４の軸方向に移動させることおよび非球面反射ミラー５を回転駆動させるということについては第２の実施の形態と共通するが、本実施の形態の場合非球面反射ミラー５を回転駆動させるための具体的構成が第２の実施の形態とは異なる。

すなわち、図３に示すように本実施の形態の場合、光ファイバ収納筒２と、この光ファイバ収納筒２の外径よりも内径の大きいミラー収納筒６_１とを同心状に配置して２重管構造にするとともに、ミラー収納筒６_１の上端部外周面に歯車機構１１を設け、この歯車機構１１をモータ１０_１で回転駆動するようにしたことを特徴とするものであり、その他は第２の実施の形態とほぼ同じである。

本実施の形態の場合、第２の実施の形態と同様レーザー光４を照射するにあたり、移動装置８により照射ヘッド１を光ファイバ収納筒２の軸方向に移動させながら歯車機構１１を介してモータ１０_１で非球面反射ミラー５を回転させるようにしたので、レーザー光４を管内面施工部に対して螺旋状に照射することができ、均一にむらなく管内面を施工することができる。

しかも本実施の形態では、モータ１０_１をミラー収納筒６_１の外部に設置することができるため、照射ヘッド１の外径をより細く製作することが可能である。

（第４の実施の形態）
図４は、本発明に係るレーザー加工装置の第４の実施の形態を示す構成図である。
本実施の形態は、第３の実施の形態を改良したもので、第３の実施の形態と異なるところはミラー収納筒６_１の側面に沿って設けていた液体噴射ノズル７を廃止し、替わりに液体注入口７_１から清浄用液体を注入し、光ファイバ収納筒２とミラー収納筒６_１との間に形成された環状の隙間を通して清浄用液体の流れを形成するように構成したものであり、その他は第３の実施の形態とほぼ同じである。

本実施の形態によれば、第２乃至第３の実施の形態の作用効果に加えて、次の作用効果を奏することができる。すなわち、照射ヘッド１の光ファイバ収納筒２とミラー収納筒６_１の間の環状隙間に上部から清浄用液体Liを流すことでレーザー光Laの照射点に清浄用液体Liの流れを作ることができ、液体噴射ノズル７を別途設ける必要がなくなるので照射ヘッド１をより細径にすることができる。

また、他端が閉塞された管の内面を施工する場合でもレーザー光４の照射点に清浄用液体Liの流れを作ることが容易となる。さらに、フィルタで清浄化した清浄用液体Liを光ファイバ収納筒２とミラー収納筒６_１の間に流すことにより、非球面反射ミラー５の表面およびレーザー光Laの光路を清浄に保つことが可能である。

（第５の実施の形態）
図５は、本発明に係るレーザー加工装置の第５の実施の形態を示す構成図である。
本実施の形態は、第４の実施の形態の改良に関するもので、第４の実施の形態のようにミラー収納筒６_１の上端部に設けた液体注入口７_１から清浄用液体を注入する替わりに、ミラー収納筒６_２の内部にプロペラを固定し、ミラー収納筒６_２の回転により、清浄用液体を非球面反射ミラー５の反射面５ａに流すように構成したものである。

すなわち、図５に示すように、ミラー収納筒６_２がミラー反射面の近傍にレーザー照射窓６_２ａを有していること自体はミラー収納筒６_１と同様であるが、光ファイバ２の端部２ａの近傍外周部に液体吸込み口６_２ｂを設け、さらにこの液体吸込み口６_２ｂとレーザー照射窓６_２ａとの中間部にプロペラ１２を固定したことが異なっている。

本実施の形態の場合、モータ１０_１でミラー収納筒６_２を回転させることにより反射ミラー５とともに、プロペラ１２が一体的に回転する。このプロペラ１２の回転によって推力が生じる。この結果、液体吸込み口６_２ｂから清浄用液体Liが筒内部に吸い込まれ、反射ミラー５の反射面５ａから照射口６_２ａを通ってレーザー光Laの照射点に向かって清浄用液体の流れを作ることができる。

このように、本実施の形態によれば、第４の実施の形態の作用効果に加えて、外部から清浄用液体を注入するための送液手段を設ける必要もなくなるので、シンプルな構成の照射ヘッドを構成することができる。

（第６の実施の形態）
図６は、本発明に係るレーザー加工装置の第６の実施の形態を示す構成図である。
本実施の形態は第４の実施の形態の一部の構成を変更したもので、ミラー収納筒６_１の替わりに上下２分割したミラー収納筒６_３および６_４を設け、しかも下部ミラー収納筒６_４内部に反射ミラー５およびこの反射ミラー５の上部にプロペラ１２を設けるようにしたものである。図中１３は、前記下部ミラー収納筒６_４を回転自在に支持する軸受兼連結部である。

本実施の形態によれば、液体注入口７_１から注入されレーザー光Laの照射点へ流れる清浄用液体Liによってプロペラ１２に回転駆動力を与え、このプロペラ１２によって下部ミラー収納筒６_４とともに反射ミラー５を回転させるようにしたので、モータ１０や１０_１等のように別個に回転駆動装置を設けずにレーザー光をらせん状に照射することができる。

（第７の実施の形態）
図７は、本発明に係るレーザー加工装置の第７の実施の形態を示す構成図である。
本実施の形態はこれまで述べてきた実施の形態とは異なり、図７で示すように、光ファイバ２および固定端子３を収容する光ファイバ収納筒４_１および非球面反射ミラー５を収容するミラー収納筒６_５を樹脂あるいは編組等の柔軟性に富む構造の金属で構成したものである。

このように、光ファイバ収納筒４_１およびミラー収納筒６_５に柔軟性を持たせたことにより、湾曲した施工対象１８でも容易に照射ヘッド１を挿入することができ、施工が可能になる。

（第８の実施の形態）
図８は、本発明に係るレーザー加工装置の第８の実施の形態を示す構成図である。
本実施の形態は第４の実施の形態の改良に関するもので、照射ヘッド１外面のレーザー光出射位置の下部に位置決め機構１７を設けるように構成したものである。

この位置決め機構１７は、固定式あるいは回転可能な突起１４と、この突起１４の反対側にスプリング１５により常時外側に押しだされる突起１６とから構成される。

このように位置決め機構１７を照射ヘッド１の下部に設けることにより、突起１４、１６が常に細管１８の管内面に押しつけられるので、反射ミラー５と照射点との距離を常に一定に保つことができ、均一な加工をすることが可能である。

本発明に係るレーザー加工装置の第１の実施の形態を示す構成図。本発明に係るレーザー加工装置の第２の実施の形態を示す構成図。本発明に係るレーザー加工装置の第３の実施の形態を示す構成図。本発明に係るレーザー加工装置の第４の実施の形態を示す構成図。本発明に係るレーザー加工装置の第５の実施の形態を示す構成図。本発明に係るレーザー加工装置の第６の実施の形態を示す構成図。本発明に係るレーザー加工装置の第７の実施の形態を示す構成図。本発明に係るレーザー加工装置の第８の実施の形態を示す構成図。従来のレーザー加工装置を示す構成図。

符号の説明

１…照射ヘッド、１_１…レーザー出射部、１_２…ミラー部、２…光ファイバ、２ａ…レーザー光出射部、３…光ファイバ固定端子、４，４_１…光ファイバ収納筒、５…反射ミラー、５ａ…反射面、６，６_１，６_２，６_３，６_４…ミラー収納筒、６ａ…レーザー光照射窓、７…液体噴射ノズル、７_１…液体注入口、８…移動装置、９…外側収納筒、１０，１０_１…回転駆動装置（モータ）、１１…歯車機構、１２…プロペラ、１３…軸受兼連結部、１４…突起、１５…スプリング、１６…突起、１７…位置決め機構、１８…施工対象、１００…レーザー加工装置、La…レーザー光、Li…清浄用液体。

Claims

レーザー光をパルスレーザー光源から導いてレーザー光出射部から出射する光ファイバを収納する光ファイバ収納筒と、この光ファイバ収納筒の先端部に設置され、内部に前記レーザー光出射部から所定距離を隔てて配置した非球面形状の反射面を有する反射ミラーを収納し、かつ周面に反射レーザー光を照射点に照射するためのレーザー照射窓を設けたミラー収納筒とを有する照射ヘッドと、前記照射ヘッドを軸線方向に移動させる移動装置と、を備えたレーザー加工装置において、
前記光ファイバ収納筒よりも前記ミラー収納筒を大径に形成するとともに、前記レーザー光出射部と前記反射ミラーとが所定距離隔てて対峙する位置関係となるように、前記光ファイバ収納筒およびミラー収納筒を同心状に配置することによって２重管構造に構成し、かつ、前記ミラー収納筒を当該ミラー収納筒の上端部外周面に設けられた回転駆動装置により前記光ファイバ収納筒に対して回転可能にし、さらに前記光ファイバ収納筒とミラー収納筒との間の環状の隙間に照射ヘッドの上部に設けられた液体注入口から清浄用液体を注入し、前記反射ミラーの反射面からレーザー光照射点に向かって清浄用液体を流すことを特徴とするレーザー加工装置。
前記ミラー収納筒内周部のミラー反射面上にプロペラを固定し、さらにこのプロペラの上部のミラー収納筒に清浄用液体吸込み口を形成し、前記ミラー収納筒を前記回転駆動装置によって回転させることにより前記清浄用液体吸込み口からミラー収納筒内部に清浄用液体を吸い込み、ミラー反射面を経てレーザー光照射窓から吐出するようにしたことを特徴とする請求項１記載のレーザー加工装置。
レーザー光をパルスレーザー光源から導いてレーザー光出射部から出射する光ファイバを収納する光ファイバ収納筒と、この光ファイバ収納筒の先端部に設置され、内部に前記レーザー光出射部から所定距離を隔てて配置した非球面形状の反射面を有する反射ミラーを収納し、かつ周面に反射レーザー光を照射点に照射するためのレーザー照射窓を設けたミラー収納筒とを有する照射ヘッドと、前記照射ヘッドを軸線方向に移動させる移動装置と、を備えたレーザー加工装置において、
前記光ファイバ収納筒よりも前記ミラー収納筒を大径に形成するとともに、前記レーザー光出射部と前記反射ミラーとが所定距離隔てて対峙する位置関係となるように、前記光ファイバ収納筒およびミラー収納筒を同心状に配置することによって２重管構造に構成し、
前記ミラー収納筒は上下に分割された上部ミラー収納部と下部ミラー収納部とからなり、前記下部ミラー収納部を回転可能に支持するとともに、その内周部に回転駆動装置としてのプロペラを設け、前記照射ヘッドの上部に設けられた液体注入口から前記光ファイバ収納筒およびミラー収納筒間の環状の隙間にミラー反射面に向けて清浄用液体を流すことにより、前記プロペラに回転駆動力を発生させ、当該プロペラの駆動力により前記ミラー収納筒を回転させることを特徴とするレーザー加工装置。